直流電機調速控制器的製作方法

2023-09-15 18:59:05 1

專利名稱：直流電機調速控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直流電機調速控制器，具體涉及一種可以大大降低電路損 耗，並且能夠有效解決衝擊和發熱問題從而極大地提高電路效率的直流電機調速控制器。
背景技術：
目前，隨著「綠色環保」觀念的普及和深入人心，電動車作為一種零排放、無汙染的 清潔環保交通工具，得到了廣泛應用。但是，現有的電動車普遍存在以下問題充電後，使用 時間不長；而且在使用過程中，電機發熱量非常大，極易損壞電器元件，電池的使用壽命也 隨之降低。眾所周知，直流電機調速控制器是電動車的核心部件之一。為了提高電動車的性 能，就要提高直流電機調速控制器的性能。現有的直流電機調速控制器，基本都是由斬波器演化而來，而直流無刷電機的調 速控制器又最為常見。如圖1所示，在現有的直流無刷電機的調速控制原理圖中，開關管 G1^ G2, G3組成上橋，輪流導通完成換相，由低頻方波驅動；開關管gl、g2、g3組成下橋，由高 頻方波驅動。該電路中，上橋的開關管由霍爾給出低頻信號控制，在電機最高速度下也只有 250Hz左右；下橋的開關管由霍爾低頻信號與PWM(約16kHz)組成與門控制，因此是高頻信 號。電機中由矽鋼片與線圈組成的電抗系統，在高頻信號的作用下產生兩種效果一是高 頻信號包絡線所形成的反電動勢ε (與轉速成正比)；二是由於矽鋼片(響應頻率為10 400Hz)無法響應高頻信號而形成的渦流。反電動勢ε是做功，而渦流卻會產生熱量，即 (E-O I。因此，電路效率與佔空比成正比。為了提高電路效率，人們通常從以下兩方面考慮其一，將線圈矽鋼片改為高頻響應好的鐵氧體。但是鐵氧體的Bm很小，即力矩很 小。其二，將PWM改為低頻，比如IkHz以內。但是，低速時很容易就會發生磁飽和，當反電 動勢很小時，會對電池和場管形成巨大衝擊。所以，以上兩種解決途徑都不足取。發明專利「直流電機調速控制器」(公布號CN101753082A)公開的技術方案，如圖2 所示，在直流無刷電機的調速控制原理圖中，開關管Ι\、τ3、τ5組成上橋，輪流導通完成換相， 由低頻方波驅動；開關管！^！^！^組成下橋，由高頻方波驅動。開關管T5通過電感La連接 在直流電機的Α』點，同樣，開關管T1通過電感L。連接在直流電機的C』點，開關管T3通過電 感Lb連接在直流電機的B』點。該方案從理論上可以解決PWM調整時能量儲存的問題。但 是，電路中的高頻信號仍然會通過電機繞組電抗，仍然會形成渦流，只有剩餘的能量才能存 儲在電感上。此外，該方案還存在以下缺點第一，由於電感串接在橋臂開關管與電機之間， 所以要有三個電感才能滿足續流需要，但是三個電感不但會增加成本，而且體積較大，在實 際生產和運用中很難與普通直流電機調速控制器相容，不利於擴大生產和降低成本；第二， 由於橋臂仍然採用上橋低頻驅動，下橋高頻驅動的方案，導致下橋開關管的負荷遠比上橋 開關管重，不對稱；第三，要想達到較高的效率，下橋的三個開關管各自的波形都必須調整 得非常好，而這在實際運用中是很難實現的。
實用新型內容發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提供一種可以大大降低 電路損耗，並且能夠有效解決衝擊和發熱問題從而極大地提高電路效率的直流電機調速控 制器。技術方案為實現上述目的，本實用新型的直流電機調速控制器，包括電源和電機 控制電路，所述電源直接串聯連接高頻開關，所述高頻開關採用高頻PWM制式進行調速，電 機控制電路部分不再進行調速；高頻開關與電機控制電路之間串聯有電感，電感兩端還分 別連接有續流元件和濾波元件。高頻開關直接與電源串聯連接，而不是設置在橋臂上，可以 將頻率提高的更高，從而減小儲能續流元件的體積；濾波元件把頻率和電感調整到最佳的 匹配狀態；開關電源的高頻電流，不再通過電機矽鋼片的繞組，不會形成任何渦流，不產生 多餘熱量。作為優選，所述續流元件為二極體，所述濾波元件為電容。二極體和電容的個數分 別為一個，可以減小體積，降低成本。作為優選，所述電機控制電路包括電機和開關管，所述電機為直流無刷電機，所述 開關管均在低頻下工作。開關管組成上橋和下橋，各個橋臂都在低頻下工作，狀態是對稱 的，因此發熱小；同時，各個橋臂始終工作在100%導通角下，沒有(E- OI的衝擊和發熱問題。作為優選，所述直流無刷電機為採用矽鋼片作磁芯繞制的直流無刷電機。作為優選，所述電機控制電路包括電機，所述電機為直流有刷電機。作為優選，所述直流有刷電機為採用矽鋼片作磁芯繞制的直流有刷電機。作為優選，所述高頻開關與SG3524晶片或其它具有類似功能的晶片連接並由其 提供高頻信號進行驅動。作為優選，所述開關管與33035晶片或其它具有類似功能的晶片連接並由其提供 在PWM佔空比為100%時的低頻信號進行驅動。有益效果本實用新型的直流電機調速控制器，通過將高頻開關直接與電源串聯 連接，並對高頻開關採用高頻PWM制式進行調速，而電機控制電路部分不再進行調速，可以 將頻率提高的更高，從而減小儲能續流器件體積；通過濾波元件可以把頻率和電感調整到 最佳的匹配狀態；通過在高頻開關與電機控制電路之間串聯電感，可以使開關電源的高頻 電流不再通過電機矽鋼片的繞組，不會形成任何渦流，不產生多餘熱量。本實用新型電路結 構簡單，元器件少，容易實現，可以大大降低成本，有利於擴大生產。

圖1為現有的直流無刷電機的調速控制原理圖；圖2為公布號為CN101753082A的發明專利公開的技術方案原理圖；圖3為本實用新型實施例公開的直流無刷電機的調速控制原理圖；圖4為本實用新型實施例公開的直流無刷電機或直流有刷電機調速控制電路的 等效電路圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型作更進一步的說明。本實用新型的直流電機調速控制器，可以大大降低電路損耗，並且能夠有效解決 衝擊和發熱問題從而極大地提高電路效率。本實用新型的直流電機調速控制器，可以廣泛 應用於電動自行車、電動摩託車以及電動汽車等多種設備。如圖3所示，本實用新型的直流電機調速控制器，包括電源和電機控制電路，電源 直接串聯連接高頻開關K，高頻開關K採用高頻PWM制式進行調速，頻率範圍為20 70KHZ， 優選頻率為50KHz ；而電機控制電路部分不再進行調速；高頻開關K與電機控制電路之間串 聯有電感L，電感L兩端還分別連接有續流元件和濾波元件。續流元件為二極體，濾波元件 為電容C。電感L 一端與二極體一端連接，二極體另一端與電源一端連接；電感L另一端與 電容C 一端連接，電容C另一端與電源連接。本實用新型只用一個二極體和一個電容C，就可 以實現續流和濾波的作用，可以減小直流電機調速控制器的體積，能夠降低成本。電機控制 電路包括電機和開關管，電機為直流無刷電機，開關管均在低頻下工作，頻率範圍為20 400Hz，優選頻率為250Hz，且每個開關管內部都包含二極體元件。開關管組成上橋和下橋， 各個橋臂都在低頻下工作，狀態是對稱的，因此發熱小；開關管與33035晶片連接並由其提 供在PWM佔空比為100%時的低頻信號進行驅動，各個橋臂始終工作在100%導通角下，沒 有(Ε- ε ) I的衝擊和發熱問題。高頻開關與SG3524晶片連接並由其提供高頻信號進行驅 動。同理，當電機控制電路中的電機為直流有刷電機時，在電源上串聯連接有高頻開 關，高頻開關與電機控制電路之間串聯有電感，電感兩端還分別連接有續流元件和濾波元 件。續流元件為二極體，濾波元件為電容。電感一端與二極體一端連接，二極體另一端與電 源一端連接；電感另一端與電容一端連接，電容另一端與電源連接。綜上，無論是採用直流無刷電機還是直流有刷電機，本實用新型的直流電機調速 控制器的調速控制電路的等效電路圖都是一樣的，如圖4所示，其中ε為電機做功時的反 電動勢。高頻開關K直接與電源串聯連接，而不是設置在橋臂上，可以將頻率提高的更高， 從而減小儲能續流；濾波元件把頻率和電感調整到最佳的匹配狀態；開關電源的高頻電 流，不再通過電機矽鋼片的繞組，不會形成任何渦流。本實用新型的直流電機調速控制器適用於所有採用矽鋼片作磁芯繞制的直流電 機，包括單相有刷直流電機、三相無刷直流電機和五相無刷直流電機等。電機運行時溫度的升高，直接影響到控制器和電機的壽命和運行可靠性。電機各 部分的溫度成為電機設計和運行中重要的性能指標之一。在新的國家標準中，詳細規定了 不同絕緣等級的電機繞組對應的不同的繞組溫度。超過此溫度，電機壽命將會受到影響，甚 至造成電機燒毀。本實用新型的直流電機調速控制器能有效降低電機的升溫，不僅可以保 證電機的安全性能，而且對提高控制器的使用壽命、節約原材料和電能具有重要的現實意 義。下面通過對比實驗證明本實用新型確實具有以上優越性能。取三輛普通電動車甲、乙、丙，在保證三輛電動車其他性能完全相同的情況下，甲 採用圖1所示的直流電機調速控制器，乙採用圖2所示的直流電機調速控制器，丙採用本實 用新型的直流電機調速控制器。在路況相同，電量充足，外界空氣溫度為20°C的情況下，甲
5車能行駛30公裡，電機溫度升高60° 80° ；乙車能行駛50公裡，電機溫度升高20° 40° ；而丙車能行駛68公裡，電機溫度升高10° 20°。由此可見，本實用新型的直流電機調速控制器的優越性能，不但從理論上可以實 現，而且在具體的使用過程中也是可以得到保證的。直流無刷電機主要由釹鐵硼永磁體與矽鋼片繞組組成。本實用新型可以有效避免 高頻電流通過電機矽鋼片的繞組形成渦流的不利因素，可以擴大矽鋼片的使用範圍。永磁 體的主要元素為釹鐵硼(NdFeB)，釹鐵硼是目前性價比最佳的稀土永磁材料釹鐵硼具有 體積小、重量輕和磁性強的特點，預計在未來20 30年內不可能出現替代釹鐵硼的磁性材 料。釹鐵硼作為節能環保的朝陽產業，廣泛用於信息技術、汽車、核磁共振、風力發電和電機 等領域，預計未來3 5年的複合增長率在20%左右。由於中國具有明顯的資源、成本和市 場優勢，世界釹鐵硼產業正在向中國轉移，本實用新型也必將為釹鐵硼更廣泛的應用掃除 障礙，為中國乃至世界的科技發展做出重大貢獻。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出對於本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和 潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求一種直流電機調速控制器，包括電源和電機控制電路，其特徵在於所述電源直接串聯連接高頻開關，所述高頻開關採用高頻PWM制式進行調速，高頻開關與電機控制電路之間串聯有電感，電感兩端還分別連接有續流元件和濾波元件。
2.根據權利要求1所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述續流元件為二極體， 所述濾波元件為電容。
3.根據權利要求1所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述電機控制電路包括 電機和開關管，所述電機為直流無刷電機，所述開關管均在低頻下工作。
4.根據權利要求3所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述直流無刷電機為採 用矽鋼片作磁芯繞制的直流無刷電機。
5.根據權利要求1所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述電機控制電路包括 電機，所述電機為直流有刷電機。
6.根據權利要求5所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述直流有刷電機為採 用矽鋼片作磁芯繞制的直流有刷電機。
7.根據權利要求1至6任一項所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述高頻開 關與SG3524晶片連接並由其提供高頻信號進行驅動。
8.根據權利要求3或4所述的直流電機調速控制器，其特徵在於所述開關管與33035 晶片連接並由其提供在PWM佔空比為100%時的低頻信號進行驅動。
專利摘要本實用新型公開了一種直流電機調速控制器，包括電源和電機控制電路，電源直接串聯連接高頻開關，高頻開關採用高頻PWM制式進行調速，電機控制電路部分不再進行調速；高頻開關與電機控制電路之間串聯有電感，電感兩端還分別連接有續流元件和濾波元件。本實用新型的直流電機調速控制器，通過將高頻開關直接與電源串聯連接，可以將頻率提高的更高，從而減小儲能續流器件體積；通過濾波元件可以把頻率和電感調整到最佳的匹配狀態；通過在高頻開關與電機控制電路之間串聯電感，可以使開關電源的高頻電流不再通過電機矽鋼片的繞組，不會形成任何渦流，不產生多餘熱量。本實用新型電路結構簡單，元器件少，容易實現，可以大大降低成本，有利於擴大生產。
文檔編號H02P7/29GK201766544SQ20102050262
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者李玉增 申請人:南京新樂能電子科技有限公司